И.П. Ермаков - Физиология растений (1134204), страница 145
Текст из файла (страница 145)
8.4.2.1. Дегидратация клеток как механизм, предотвращающий енутрикпеточное образование льда Один из механизмов, предотвращающих внутриклеточное образование льда, сопряжен с выходом воды из клеток в экстрацеллюлярное пространство. При падении температуры ло отрицательных значений в зкстрацеллюлярной среде образуются кристаллы льда. Лед формирует градиент водного потенциала, направленный из клеток в межклетники. Выход волы из клеток по гралиснту вызывает дальнейшую дегилратацию клеток и рост кристаллов льда в межклетниках, в то жс время снижается вероятность образования внутриклеточного льла.
Образование внеклсточного льла и связанный с этим отток воды из клеток стимулируются специальными веществами, которые клетки зкскретируют в апопласт. Являясь цензрами кристаллизации воды, они повышают температурный порог заролышеобразования льла. Такие соединения называются гетерогенными яуклеаторами, а стимулируемый ими процесс заролышеобразования льла — гетерогенной нуклеацией. Гетерогенные нуклеаторы могут быть белковой„фосфолипилной или полисахаридной природы.
Гетерогенными нуклеаторами становятся различные твердые включения, выполняющие роль «затра- вокь для образования кристаллов. Часто такими «затравками» служат эпифитные бактерии, населяющие межклеточную среду. От гетерогенной отличают гомогенную нуклеаяию. Она происходит в среде, не содержащей нуклеаторов, и характеризуется гораздо более низкой пороговой температурой зародышеобразования льда, чем гетерогенная нуклеация. При гомогенной нуклсации кристаллы льда не формируются и не растут до тех пор, пока достаточное число молекул воды нс сформирует зародыш льда. Гомогенную нуклеацию можно получить„если чистую воду диспергировать на мелкие капли.
В этом случае вода замерзает только при — 38 'С. При гомогенной нуклеации водные растворы низкомолекулярных веществ, например солей, сахаров и полиспиртов, за счет их криоскопического действия замерзают при еще более низких температурах. Благодаря гетерогенным нуклеаторам лед в межклстниках образуется при более высоких температурах, чем те, которые требуются для замерзания внутриклеточной среды (как отмечалось выше, образование льда в клетках более губительно, чем в межклетниках).
Выход воды наружу при внеклеточном образовании льда хотя и предотвращает образование внутриклеточного льда, тем не менее сопровождается неблагоприятными для клеток эффектами дегидратации. В связи с этим адаптация и акклимация растений к низким температурам включает формирование механизмов, которые повышают резистентность клеток к обезвоживанию. Считается, что морозоустойчивость мезофитов в первую очередь определяется способностью их клеток выдерживать дегидратацию. Защита клеток при дегидратации, вызываемой отрицательными температурами, так же, как при засухе и солевом стрессе, связана с биосинтезом осмопротекторов, прежде всего низкомолекулярных сахаров и полиспиртов.
Одна из основных функций этих веществ состоит в защите внугриклсточных биополимеров. Специфической функцией осмопротекторов при дегидратации клеток, вызванной низкими температурами, является понижение температуры замерзания внутриклеточной среды.
Остается неясным, как соотносится выход воды из клеток при образовании льда с увеличением внутриклеточного осмотического давления, происходящего в результате накопления осмопротекторов. 8.4.2.2. Последствия обезвоживания клеток Потеря воды клетками при внеклеточном образовании льда приводит к уменьшению объема протопластов и концентрированию содержащихся в них веществ, некоторые из них при повышенных концентрациях становятся токсичными для клеток. К таким веществам относятся неорганические ионы, например Ха и СГ, активныс формы кислорода и ряд органических соединений.
Увеличение внутриклеточных концентраций ионов и накопление токсичных соединений в свою очередь приводит к изменениям конформации биополимеров, а в наиболес острых случаях — к денатурации белков. При этом может происходить образование или разрыв ковалентных связей в белках. Одним из наиболее часто встречающихся эффектов такого рода является окисление БН-групп и образование дисульфидных связей между различными участками полипептидной цепи или различными цепями. Дегидратация клеток оказывает непосредственное действие на структурное состояние липидов мембран. Мембраны в норме связывают до 30 — 50% воды 565 Смешанная форма Рис.
8.28. Фазовые переходы лнпидов мембран при изменениях температуры и содержа- ния воды в клетках: Š— ламеллярная форма в жидкокриетааличееком состоянии; ГŠ— ламеллярная форма а твер- дом, гелеооразном состоянии; Нн — гекеагонатьная форма (в расчете на их сухую массу). Взаимодействуя с заряженными и полярными группами белков и фосфолипидов, вода стабилизирует структуру мембран. Дегидратация вызывает обратимые и необратимые (в зависимости от степени дегидратации) нарушения мембранных структур (рис. 8.28).
На начальной стадии потери воды мембраной липиды переходят из хощкокристаллического в гелеобразное состояние (Х„-а Х~,). При более сильной дегидратации, когда остается не более 20% воды, липиды переходят в гексагональную форму (2,, -+ Нн). В мембранах клеток, устойчивых к высушиванию, гексагональная форма не образуется даже когда остается 2 — 11 % воды. Изменения структуры мембран в ответ на потерю ими воды при внеклеточном образовании льда могут накладываться на эффекты, вызванные непосредственными температурными сдвигами.
Дегидратация липидов повышает температуру фазового перехода Е -+ Ер, т.е. термотропный переход из жидкокристаллического состояния в гелеобразное при дегидратации мембраны осуществляется при более высокой температуре. Можно сказать, что неблагоприятное действие низкой температуры при дегидратации усиливается. При быстром замораживании выделенных протопластов ржи при — 10 С, которое сопровождалось потерей ими волы, в липидах мембран происходило образование Нн-фазы.
При медленном снижении температуры ло -10'С вола в протопластах сохранялась, и они переходили в переохлажленное состояние (см. подразд. 8.4.2.3). Образования Нн-фазы при этом не наблюдалось. Повышение осмотического давления среды, в которой находились переохлажденные протопласты, путем внесения в нее сорбитола сопровождалось выходом воды из протопластов и образованием Нн-фазы. При этом утрачивалась осмотическая реакция протопластов. Процент гибели протопластов коррелировал с числом участков мембраны, находящихся в гексагональной фазе. Следует отметить, что акклимация растений к отрицательным температурам (закалка) снижает температуру перехода мембранных липидов в гексагональную фазу. У протопластов, вылеленных из закаленных растений, даже при — 35 'С в мембранах почти не было участков, содержащих Нн-фазу.
Сильная дегидратация может стать причиной нарушения связи между липидами и белками мембран. При внеклеточном образовании льда, особенно у неустойчивых к замораживанию растений, в мембранах появляются участки, не содержащие белков. В персохлажденных клетках лишенные белков участки отсутствуют (см. подразд. 8.4.2.3), указывая на то„что потеря белков связана не столько с влиянием низкой температуры, сколько с дегидратацией клеток.
К наиболее общим эффектам обезвоживания клеток, наблюдаемым у многих растений при действии низких температур, засухи и почвенного засоления, относится деградация фосфолипидов мембран вследствие активации фосфолипазы Р. Роль активатора играют ионы Сат', концентрация которых в клетках неконтролируемым образом повышается при деструктивных изменениях клеточных мембран. Расщепление фосфолипазой О фосфатидилхолина стимулирует образование перекисных соединений липидов свободнорадикальной природы, накопление малонового диальдегида и других токсичных соединений (см.
подразд. 8.6). Перечисленные выше изменения в белках и липидах вызывают различного рода нарушения метаболизма и один из них — подавление биохимической и фотохимической активности хлоропластов. В частности, снижается скорость ассимиляции углерода и фотофосфорилирования. Подавление фотофосфорилирования связано с увеличением протонной проводимости тилакоидов и снижением АТФ-синтазной активности.
Сниженное содержание воды и высокие концентрации ионов в клетках ведут к потере тилакоидами сопрягающего фактора АТФ-синтазы СГ1 и пластоцианина. При отделении СГ, открывается АТФ- синтазный канал; это ведет к увеличению Н -проводимости мембраны, снижению генерируемой в ходе переноса электронов Лрн- и соответственно к снижению уровня синтезируемого АТФ. Такой эффект наблюдается при отрицательных и низких положительных температурах, а также при засухе и почвенном засолении. Следует отметить, что осмолиты, в частности сахара и поли- спирты, защищают тилакоиды.
Они предотвращают отделение СЕ, от Срм поддерживая этим низкую Н -проводимость тилакоидов и, следовательно, высокий уровень сопряжсния переноса электронов и фотофосфорилирования. При дегидратации клеток, вызванной образованием внекаеточного льда, и последующем оттаивании возрастает проницаемость плазмалеммы для ионов и ряда органических веществ. Тонопласт при этом тоже, как правило, повреждастся. Об этом свидетельствует возросший экзоосмос веществ, содержащихся в вакуоли. 8.4.2.3.
Механизм переохлаждения Выход волы из клеток и образование внеклеточного льда, стимулируемое гетерогенными нуклеаторами, происходит при относительно высоких отрицательных температурах. Для тканей многих древесных пород пороговые температуры внеклеточного образования льда лежат в диапазоне от — 2' до -5 'С. В листьях высокоустойчивой к морозу озимой ржи (Беса(е сегеа(е) нуклеация льда в межклетниках происходит при — 5'...— 12 'С, тогда как нижний температурный предел выживасмости этого растения составляет -30 ...— 35 С. Оставшаяся в клетках вода после образования льда в межклеточной среде не замерзает при последующем снижении температуры.
Такая вода называется переок- 567 яаждеиной. Тел»пература образования льда в клетках, выше которой вода находится в переохлажденном состоянии, приблизительно совпадает с нижним температурным пределом выживаемости растения. В основе способности растений сохранять воду в клетках в жилком состоянии при очень низких отрицательных температурах лежит так называемый механизм переохлаждения. Он чрезвычайно важен в обеспечении резистентности растений к замораживанию. Для исследования способности клеток к переохлаждению используют термический дифференциальный анализ. Ткань или орган растения постепенно охлаждают и с помощью термопар регистрируют разность температур между охлаждаемым и котрольным образцами.
Образование льда — процесс экзотермический, т.е. происхолит с выделением тепла, и на термограмме ему соответствует зкзотермический пик, который называется низхоп»емперап»урной экзоп»ермой (НТЗ). Дифференциальный термический анализ был сделан для многих растений. Рекордно низкая телшература замерзания клеток была установлена для таких растений холодного климата, как черный ясень (Ггах»пия п»8га) (-47 'С) и виргинский можжевельник (Уип»регия и»»8»п»апа) ( — 52'С). У растений теплого климата НТЭ лежат в области -10'...— 20 С. Низкие температуры замерзания внутриклеточной среды характерны для цветочных почек древесных и травянистых растений, а также зародышей семян. Переохлаждение характеризуется темперап»урнь»м гистерезисом, т.е.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
